反芻動(dòng)物消化道微生物的功能與影響因素及其調(diào)控技術(shù)

馬 晨，馬 健,2*，范 雪，張文杰

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究所，四川成都 611130）

動(dòng)物消化道中的微生物種類眾多，這些微生物具有復(fù)雜的群落結(jié)構(gòu)，在不斷進(jìn)化的過程中與宿主機(jī)體呈現(xiàn)互利共存的聯(lián)系[1]。動(dòng)物消化道微生物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有利于機(jī)體自身健康，維持動(dòng)物生產(chǎn)性能的發(fā)揮。瘤胃是反芻動(dòng)物獨(dú)有的器官，瘤胃微生物對(duì)飼糧的降解和發(fā)酵是反芻動(dòng)物蛋白質(zhì)和能量需要的主要來源[2]。Turnbaugh等[3]研究表明，人為干預(yù)消化道微生物可以對(duì)微生物宿主的代謝進(jìn)行調(diào)控。很多研究者認(rèn)為通過益生菌、飼糧以及微生物移植等均可以調(diào)控消化道菌群，在一些人類疾病治療方面已經(jīng)得到了臨床驗(yàn)證[4]。在反芻動(dòng)物生產(chǎn)中，Ribeiro等[5]研究表明，重塑牛的瘤胃微生物群落可以改善瘤胃發(fā)酵，提高牛的采食量。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，消化道微生物調(diào)控技術(shù)在反芻動(dòng)物中的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)初步被證實(shí)可以有效地調(diào)控消化道微生物組成。本文闡述了反芻動(dòng)物消化道微生物的功能及影響因素，綜述了國(guó)內(nèi)外對(duì)反芻動(dòng)物消化道微生物調(diào)控的研究現(xiàn)狀，以供該領(lǐng)域的相關(guān)從業(yè)者參考。

1 反芻動(dòng)物消化道微生物的功能

1.1 消化道微生物的組成 對(duì)反芻動(dòng)物而言，瘤胃微生物區(qū)系是研究的熱點(diǎn)。幼齡反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)的微生物與成熟動(dòng)物有差異，通常情況下，在動(dòng)物健康及外界環(huán)境不發(fā)生巨大變化時(shí)，將3～4周齡以后的瘤胃定義為成熟的瘤胃微生物區(qū)系[6-7]。但也有研究指出，反芻動(dòng)物瘤胃微生物在2周歲以內(nèi)都有可能發(fā)生較大變化[8]。雖然存在爭(zhēng)議，但不可否認(rèn)的是，幼齡反芻動(dòng)物瘤胃微生物區(qū)系還處在不穩(wěn)定的狀態(tài)。Jami等[9]研究發(fā)現(xiàn)奶牛瘤胃的優(yōu)勢(shì)菌豐度雖然隨著年齡的變化而出現(xiàn)顯著變化，但在組成上優(yōu)勢(shì)菌主要還是以變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門為主。對(duì)成熟的反芻動(dòng)物來說，瘤胃的主要細(xì)菌比例為變形菌門4%、擬桿菌門31%和厚壁菌門56%[10]。雖然幼齡動(dòng)物瘤胃也存在這3類細(xì)菌，但所占比例不同。Henderson等[11]研究了全世界不同國(guó)家共計(jì)742頭反芻動(dòng)物的瘤胃微生物，發(fā)現(xiàn)各國(guó)反芻動(dòng)物的核心菌群相同，優(yōu)勢(shì)細(xì)菌為梭菌和擬桿菌目，瘤胃球菌和毛螺菌科，丁酸弧菌、普氏菌和瘤胃球菌屬。

腸道是機(jī)體重要的消化吸收及免疫器官，反芻動(dòng)物的腸道微生物結(jié)構(gòu)與瘤胃有著明顯的區(qū)別，主要在于腸道和瘤胃的功能差異。Mao等[12]研究指出，奶牛糞便中的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌所占比例分別為厚壁菌門63.7%、變形菌門18.3%、擬桿菌門7.6% 和放線菌門6.8%。Deoliveira等[13]分析發(fā)現(xiàn)在門水平上牛的各腸段都是以厚壁菌門和變形菌門為主，但在科水平上差異較為明顯；此外，相比于瘤胃中的優(yōu)勢(shì)菌，腸道中的變形菌門和厚壁菌門的豐度更高，而螺旋菌門和擬桿菌門較少。

1.2 消化道微生物的功能

1.2.1 微生物與消化代謝 對(duì)反芻動(dòng)物來說，消化道微生物可以調(diào)節(jié)宿主消化代謝。Rubino等[14]指出，瘤胃內(nèi)的微生物在植物纖維性物質(zhì)降解過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，其中，普氏菌主要降解半纖維素，而纖維素的降解主要是梭菌屬參與。此外，Jewell等[15]研究表明，瘤胃中的某些優(yōu)勢(shì)菌與飼料利用率具有相關(guān)性，如毛螺菌科與飼料利用率呈正相關(guān)關(guān)系，而纖維桿菌科、瘤胃菌科及普氏菌科則與飼料利用率負(fù)相關(guān)。在肉牛上研究也顯示瘤胃菌群與飼料轉(zhuǎn)化率相關(guān)，韋榮球菌科和乳桿菌科在飼料轉(zhuǎn)化率低的肉牛中豐度更高[16]。以上研究揭示了消化道微生物與飼料利用率的關(guān)系可能比傳統(tǒng)的看法更加復(fù)雜，需要做進(jìn)一步研究。

1.2.2 微生物與生產(chǎn)性能 在反芻動(dòng)物上，研究主要集中在消化道微生物對(duì)采食行為的調(diào)控上，微生物對(duì)宿主采食量的調(diào)節(jié)被越來越多的研究者認(rèn)可[17]。Rager等[18]研究表明，通過菌群移植可以有效提高真胃移位術(shù)后奶牛的采食量。此外，消化道微生物與產(chǎn)奶量有一定相關(guān)性。Xue等[19]指出，瘤胃微生物多樣性與產(chǎn)奶量密切相關(guān)，核心瘤胃菌群對(duì)產(chǎn)奶量的貢獻(xiàn)為53.9%。Jewell等[15]研究發(fā)現(xiàn)瘤胃微生物多樣性隨著產(chǎn)奶量的變化而變化，瘤胃內(nèi)的核心菌群變化趨勢(shì)與產(chǎn)奶量的高低相關(guān)。Wallace等[20]研究了英國(guó)、意大利、瑞典和芬蘭7個(gè)牧場(chǎng)的1 016頭奶牛，鑒定出含512種瘤胃菌群成員的核心菌群，富含擬桿菌目、螺旋體目和WCHB1-41目，具有保守的層級(jí)結(jié)構(gòu)，與甲烷排放、產(chǎn)奶量及瘤胃發(fā)酵相關(guān)。

1.2.3 微生物與機(jī)體健康 消化道中的微生物數(shù)量眾多，不是所有的微生物都有利于宿主的健康。Ma等[21]試驗(yàn)表明，乳房炎奶牛與健康奶牛的腸道菌群存在差異，移植乳房炎奶牛的糞便給無菌小鼠，發(fā)現(xiàn)小鼠也感染乳房炎，預(yù)示著腸道菌群紊亂可能是導(dǎo)致乳房炎發(fā)病的原因之一。此外，有研究表明，有菌動(dòng)物的腸道上皮細(xì)胞更新速度是無菌動(dòng)物的2倍，同時(shí)杯狀細(xì)胞數(shù)量提高，并指出腸道內(nèi)的多種細(xì)菌均能調(diào)控上皮基因的表達(dá)[22]。微生物群落的改變還會(huì)影響消化道脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）通透性，使機(jī)體出現(xiàn)炎癥，消化道微生物還可以代謝對(duì)機(jī)體有害的外源物質(zhì)，對(duì)宿主健康具有保護(hù)作用。

2 影響反芻動(dòng)物消化道微生物群落的因素

2.1 動(dòng)物年齡 微生物的種類及組成會(huì)隨著動(dòng)物年齡的增加而發(fā)生變化。Li等[8]研究指出，對(duì)犢牛瘤胃微生物而言，豐度較高的細(xì)菌依次為擬桿菌門74.8%、厚壁菌門12% 和變形菌門10.4%，瘤胃微生物群落結(jié)構(gòu)在不同年齡段差異較大。Georgios等[23]研究犢牛糞便微生物發(fā)現(xiàn)，糞便中豐度較高的細(xì)菌依次為厚壁菌門63.84%、擬桿菌門8.36% 和變形菌門3.72%，微生物多樣性隨著年齡增加而增加。Jami等[9]研究同樣表明，瘤胃細(xì)菌種類隨年齡增加而增加，瘤胃厭氧菌種類增多，而好氧菌則逐漸減少。

2.2 動(dòng)物生理狀況 圍產(chǎn)期是反芻動(dòng)物生理狀況比較敏感的一個(gè)時(shí)期。Derakhshani等[24]分析發(fā)現(xiàn)奶牛圍產(chǎn)前期瘤胃菌群中可降解纖維的丁酸弧菌屬和瘤胃球菌屬增加，而圍產(chǎn)后期瘤胃菌群中與蛋白質(zhì)和淀粉分解及泌乳相關(guān)的細(xì)菌增加。對(duì)優(yōu)勢(shì)菌進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，從圍產(chǎn)前期進(jìn)入到泌乳階段后，奶牛瘤胃微生物中的擬桿菌門∶厚壁菌門從6:1變?yōu)?2:1[25]。Lima等[26]研究表明，初產(chǎn)、經(jīng)產(chǎn)及產(chǎn)前、產(chǎn)后奶牛瘤胃微生物多樣性差異較大，產(chǎn)前真菌含量高于產(chǎn)后，菌群變化與產(chǎn)奶量高度相關(guān)。反芻動(dòng)物消化道微生物在圍產(chǎn)期變化較為劇烈，微生物的差異為通過微生物移植調(diào)控群落組成提供了研究基礎(chǔ)。此外，疾病通常會(huì)改變消化道微生物群落結(jié)構(gòu)。Nagashima等[27]研究認(rèn)為，新生犢牛腸道內(nèi)的微生物數(shù)量很少，同時(shí)指出外源添加植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）能有效調(diào)控腸道微生物結(jié)構(gòu)，降低犢牛腹瀉發(fā)病率。瘤胃酸中毒大多是因?yàn)轱曃构任锞线^多造成。Plaizier等[28]研究表明，瘤胃酸中毒會(huì)降低瘤胃和糞便細(xì)菌豐度及多樣性，同時(shí)降低擬桿菌門豐度，但對(duì)盲腸微生物影響不大。另有研究指出，真胃移位會(huì)改變瘤胃微生物群落結(jié)構(gòu)，同時(shí)會(huì)顯著降低糞便微生物多樣性，造成糞便螺旋體門缺失[29]。由此可見，消化道微生物在治療動(dòng)物疾病方面可能發(fā)揮重要作用。

2.3 飼糧 飼糧中的營(yíng)養(yǎng)成分以及一些功能性成分不僅可以為機(jī)體提供養(yǎng)分，還可以影響消化道微生物群落。Fernando等[30]研究指出，高粗飼料飼喂奶牛時(shí)，瘤胃中的纖維菌門豐度更高，高精料飼喂時(shí)，擬桿菌門豐度更高，而當(dāng)飼糧由高粗轉(zhuǎn)變?yōu)楦呔珪r(shí)，瘤胃中的牛鏈球菌和埃氏巨型球菌顯著升高。另有研究證實(shí)，飼糧中纖維和淀粉比例不同時(shí)，雖然瘤胃中的優(yōu)勢(shì)菌不受影響，但瘤胃微生物組成會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)?shù)矸酆扛邥r(shí)，多聚糖降解菌豐度變高，當(dāng)纖維含量高時(shí)，纖維降解菌豐度變高[31]。Rico等[32]試驗(yàn)顯示，奶牛瘤胃微生物區(qū)系在飼喂高脂肪低纖維飼糧8 h后發(fā)生變化，普氏菌（與淀粉降解相關(guān)）和產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌（與纖維降解相關(guān)）豐度分別降低66% 和97%，但反芻新月形單胞菌和埃氏巨型球菌（與乳酸利用相關(guān)）升高170%。Auffret等[33]報(bào)道，肉牛飼糧中谷物濃縮料含量高時(shí)，瘤胃菌群中耐藥性和致病性相關(guān)細(xì)菌的豐度和多樣性較高。在后腸道中，Liu等[34]研究發(fā)現(xiàn)高能飼糧會(huì)改變山羊結(jié)腸的微生物結(jié)構(gòu)，引起結(jié)腸損傷。

2.4 抗生素及飼料添加劑 一些抗生素及飼料添加劑的使用也會(huì)影響消化道微生物的組成。Shen等[35]試驗(yàn)表明，乳酸鏈球菌和莫能菌素均可以降低瘤胃內(nèi)細(xì)菌和真菌數(shù)量，莫能菌素降低原蟲效果更加明顯，但乳酸鏈球菌在維持瘤胃微生態(tài)方面更有優(yōu)勢(shì)。Li等[36]試驗(yàn)也表明，飼喂巴氏殺菌抗生素牛奶可以降低犢牛瘤胃中的擬桿菌門豐度，提高厚壁菌門豐度。雖然在抗生素功能強(qiáng)大，但其殘留問題不容忽視，在生產(chǎn)中要控制抗生素的使用。

生產(chǎn)中常使用一些飼料添加劑提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能。Foditsch等[37]研究發(fā)現(xiàn)，普拉梭菌處理組腹瀉犢牛腸道中普拉梭菌豐度顯著高于對(duì)照組，有效治療了犢牛腹瀉。Malekkhahi等[38]研究了飼糧中添加鈉蘋果酸鈣和活性干酵母對(duì)正常奶牛以及瘤胃酸中毒奶牛瘤胃微生物區(qū)系的影響，發(fā)現(xiàn)添加鈉蘋果酸鈣和活性干酵母均能提高瘤胃中纖維桿菌和大腸桿菌屬，但在瘤胃酸中毒時(shí)，活性干酵母組的埃氏巨型球菌豐度要更高。

3 反芻動(dòng)物消化道微生物調(diào)控技術(shù)

3.1 飼糧 在反芻動(dòng)物上，飼糧的組成結(jié)構(gòu)及成分均可以有效調(diào)控消化道微生物群落。Chen等[39]試驗(yàn)表明，肉牛瘤胃微生物結(jié)構(gòu)會(huì)隨著飼糧變化而轉(zhuǎn)變，使宿主更好地消化飼糧。Lettat等[40]研究指出，飼糧中青貯飼料比例高時(shí)可以增加奶牛瘤胃總細(xì)菌數(shù)，減少原蟲數(shù)量，同時(shí)降低了產(chǎn)甲烷菌代謝活性，降低甲烷排放。飼糧中添加一些特定成分對(duì)消化道菌群也可以起到調(diào)控作用。Abecia等[41]在羔羊3月齡之前的飼糧中添加溴甲烷，羔羊瘤胃內(nèi)的產(chǎn)甲烷菌數(shù)量在6月齡時(shí)顯著減少，降低了甲烷產(chǎn)量，提高了羔羊的日增重。另有研究指出，給幼齡羔羊（2～6周齡）飼糧中添加亞麻籽油可以顯著降低16周齡羔羊瘤胃內(nèi)甲烷短桿菌屬豐度，并且不影響羔羊的健康[42]。在犢牛上的研究發(fā)現(xiàn)，給犢牛飼喂牛奶后再飼喂普氏棲糞桿菌，犢牛糞便中的普氏棲糞桿菌數(shù)量增多，顯著降低犢牛的腹瀉率，提高了日增重[37]。對(duì)成年動(dòng)物消化道微生物進(jìn)行調(diào)控可以提高其生產(chǎn)性能。Xu等[43]研究指出，泌乳奶牛飼糧中添加益生菌（干酪乳桿菌和植物乳桿菌1:1混合）可以增加糞便中瘤胃發(fā)酵細(xì)菌和柔嫩梭菌，抑制一些致病菌，提高泌乳性能。

3.2 微生物移植

3.2.1 糞便微生物移植 健康機(jī)體糞便中的微生物結(jié)構(gòu)正常，處于較為穩(wěn)定狀態(tài)，移植給患病個(gè)體消化道內(nèi)可以重建微生物結(jié)構(gòu)，使患病機(jī)體恢復(fù)健康。吳兆海[44]利用糞菌移植技術(shù)來治療被動(dòng)免疫失敗的犢牛，發(fā)現(xiàn)糞菌移植可以有效改善犢牛腸道微生物結(jié)構(gòu)，并能維護(hù)腸道上皮屏障功能，對(duì)犢牛的生長(zhǎng)和健康有積極影響。Ma等[21]試驗(yàn)表明，奶牛糞菌移植給小鼠，可以在小鼠腸道內(nèi)定植，并且乳房炎奶牛的糞便可以使小鼠患乳房炎。相對(duì)于單胃動(dòng)物，反芻動(dòng)物上的糞菌移植研究還處在起步階段，仍需要做進(jìn)一步的研究。但在生產(chǎn)一線，一些牧場(chǎng)會(huì)將正常牛的糞便浸泡在水中，經(jīng)過濾后灌注給病牛，對(duì)牛胃腸代謝疾病可以起到治療的目的。

3.2.2 瘤胃微生物移植 瘤胃作為反芻動(dòng)物特有的器官，很多研究證實(shí)瘤胃微生物移植對(duì)反芻動(dòng)物有著重要作用。用于移植的瘤胃液或內(nèi)容物要滿足以下要求[45]：①因pH較低時(shí)，原蟲數(shù)量會(huì)減少，因此瘤胃液pH最好在6以上；②應(yīng)該禁止移植泡沫較多的瘤胃液，最好能對(duì)原蟲活性進(jìn)行檢測(cè)；③采集后的瘤胃液最好30 min內(nèi)完成移植；④犢牛和羊移植所需瘤胃液體積為1 L，成年牛在8～16 L。

瘤胃微生物對(duì)反芻動(dòng)物的消化代謝及生產(chǎn)性能等都有重要影響，已有研究證明瘤胃微生物移植是治療動(dòng)物消化不良等疾病的有效方法[18]。Depeters等[17]研究表明，通過瘤胃微生物移植技術(shù)可使奶牛的采食量短時(shí)間恢復(fù)。Ribeiro等[5]將70%的野牛瘤胃內(nèi)容物與肉牛進(jìn)行互換，發(fā)現(xiàn)肉牛瘤胃微生物群落得以改變，并提高了蛋白質(zhì)消化率以及干物質(zhì)采食量。在幼齡動(dòng)物上，瘤胃微生物移植也表現(xiàn)出良好的前景。有研究表明，給羔羊移植母羊瘤胃液可以顯著提高其瘤胃微生物數(shù)量，并提高了羔羊的生長(zhǎng)性能和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化率[46]。

此外，瘤胃微生物移植在其他方面也發(fā)揮著重要作用。Ji等[47]試驗(yàn)表明，瘤胃微生物移植能有效恢復(fù)抗生素所導(dǎo)致消化道微生物紊亂。Rager等[18]將健康牛的瘤胃液移植給手術(shù)后奶牛的研究發(fā)現(xiàn)，移植組的奶牛采食量和產(chǎn)奶量都顯著高于未移植組。有研究指出，產(chǎn)后50 d的奶牛瘤胃核心菌群豐度相比于產(chǎn)后7 d更高，將泌乳高峰期奶牛的瘤胃液移植給圍產(chǎn)后期奶牛，可以重塑其瘤胃微生物群落，提高了采食量，有利于緩解能量負(fù)平衡[45]。Zhou等[48]分析了肉牛瘤胃微生物移植后對(duì)受體菌群重建及飼料轉(zhuǎn)化率的影響，發(fā)現(xiàn)移植對(duì)糞球菌屬及乳桿菌屬的響應(yīng)最大，其中有18個(gè)細(xì)菌種系與飼料轉(zhuǎn)化率相關(guān)。在反芻動(dòng)物生產(chǎn)中，微生物移植可以發(fā)揮重要的作用，這些研究證實(shí)了微生物移植是維持反芻動(dòng)物健康水平的有效方法。

4 小 結(jié)

消化道微生物在反芻動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化和健康維持中起著重要作用，同時(shí)，很多因素都可以影響消化道微生物群落，有效調(diào)控消化道微生物可以更好地發(fā)揮動(dòng)物生產(chǎn)性能，維持動(dòng)物健康。但由于消化道微生物種類復(fù)雜，目前研究還處在初級(jí)階段，隨著科技的進(jìn)步，利用代謝組學(xué)對(duì)消化道微生物的代謝進(jìn)行研究，能更好地調(diào)控消化道微生物。此外，作為反芻動(dòng)物，尤其是成年奶牛，其瘤胃微生物移植所需要的量較大，因此體外培養(yǎng)微生物用于移植的相關(guān)研究值得開展。